La tectonique des plaques et le relief

Qu'est-ce qu'une plaque lithosphérique et sur quelle couche se déplace-t-elle ? Indiquer quelle force est aujourd'hui considérée comme le moteur principal de son mouvement.

Expliquer ce qu'est la lithosphère, de quelles couches elle est formée et pourquoi elle se comporte de façon rigide lorsqu'elle se déplace sur l'asthénosphère.

Nommer au moins six grandes plaques lithosphériques et indiquer sur laquelle se trouve la péninsule Ibérique et avec quelle plaque elle est en contact au sud.

La péninsule Ibérique enregistre des séismes bien qu'elle ne se trouve pas sur une limite de plaque nette. Expliquer le rôle du contact entre les plaques eurasiatique et africaine (Açores-Gibraltar) dans la sismicité du sud et de l'est de la péninsule.

Nommer les trois types de limites entre plaques lithosphériques et donner un exemple réel de chacun (une chaîne de montagnes, une dorsale ou une faille connues).

Décrire le mouvement relatif des plaques à chaque type de limite (divergente, convergente et transformante) et indiquer quel processus domine dans chacune (création, destruction ou conservation de lithosphère).

Qu'est-ce qu'une faille transformante ? Donner l'exemple le plus connu (la faille de San Andreas) et expliquer quelles plaques elle sépare et dans quel sens elles se déplacent.

Expliquer pourquoi les séismes et les volcans ne sont pas répartis au hasard à la surface de la planète mais dessinent des ceintures étroites, et prendre pour exemple la « ceinture de feu » du Pacifique.

Expliquer ce qui se passe au niveau d'une dorsale océanique et d'une fosse de subduction, en indiquant dans lequel de ces deux lieux de la lithosphère océanique nouvelle se forme et dans lequel elle est détruite.

Le schéma montre les trois types de limites entre plaques lithosphériques. a) Indiquer quel type de limite se cache sous le signe « ? » et décrire le mouvement relatif de ses plaques. b) Donner un exemple réel de chacune des trois limites. c) Préciser dans laquelle de la croûte océanique nouvelle se forme et dans laquelle elle est détruite.

Distinguer l'hypocentre et l'épicentre d'un séisme, et expliquer ce que mesure l'échelle de magnitude (de moment) par rapport à l'échelle d'intensité macrosismique.

Deux séismes de même magnitude se produisent sous une même région, l'un à $30\ \text{km}$ de profondeur et l'autre à $300\ \text{km}$. Raisonner pour dire lequel causera le plus de dégâts en surface et pourquoi, en expliquant comment les ondes sismiques s'atténuent avec la distance parcourue.

Considérer les données suivantes sur deux séismes historiques dans la péninsule Ibérique :

• Séisme A (Lisbonne, 1755) : magnitude estimée $M_w \approx 8{,}5$ ; foyer sous-marin au sud-ouest du cap Saint-Vincent, à environ $40\ \text{km}$ de profondeur ; il a généré un tsunami transocéanique qui a dévasté les côtes du golfe de Cadix et provoqué l'effondrement d'édifices à Madrid et à Salamanque.

• Séisme B (Lorca, 2011) : magnitude modérée $M_w = 5{,}1$ ; foyer à terre, à seulement $1{,}5\ \text{km}$ de profondeur, sur la faille d'Alhama de Murcie ; accélération sismique record de $0{,}37\ g$ ; il a causé $9$ morts et de graves effondrements dans la localité, mais à $30\ \text{km}$ il a à peine été ressenti.

1. a) Justifier le contexte géodynamique propre à chaque événement sismique à partir du mouvement relatif entre les plaques eurasiatique et africaine (limite diffuse transpressive au sud-ouest, face à un système de failles décrochantes des cordillères Bétiques au sud-est).
2. b) Un rédacteur de presse affirme : « L'impact destructeur d'un séisme dépend uniquement de sa magnitude sur l'échelle de Richter ». Réfuter scientifiquement cette affirmation en analysant comment ont joué dans chaque cas la profondeur focale, l'atténuation des ondes avec la distance, l'accélération maximale du sol et l'exposition/la vulnérabilité des structures.

Un observatoire sismologique enregistre deux événements sismiques dans un même département :

• Séisme 1 : magnitude $M_w = 7{,}0$ ; hypocentre à $60\ \text{km}$ de profondeur dans une zone rurale montagneuse. La ville la plus proche se trouve à $90\ \text{km}$, fondée sur des massifs de granite compétent, avec des bâtiments construits selon la réglementation parasismique.

• Séisme 2 : magnitude $M_w = 5{,}0$ ; hypocentre à seulement $2\ \text{km}$ de profondeur, situé sous un centre urbain historique édifié sur une plaine alluviale non consolidée.

1. a) L'énergie libérée par un séisme obéit à la relation $\log E = 4{,}8 + 1{,}5 M_w$. Calculer, en justifiant, combien de fois plus d'énergie mécanique le séisme 1 a libéré que le séisme 2.
2. b) Dans la ville proche du séisme 1, l'intensité enregistrée était de degré IV (largement ressenti, sans dégâts), alors que dans le centre urbain du séisme 2, l'intensité a atteint le degré VIII (dégâts structurels graves et effondrements partiels). Interpréter cette divergence apparente en expliquant le rôle de la distance hypocentrale (atténuation géométrique), de l'« effet de site » par amplification des ondes dans les sédiments meubles et de la vulnérabilité des constructions.

Lorsque deux continents entrent en collision, aucun des deux ne peut subducter facilement. Expliquer ce qui se passe pour la croûte lors de cette collision (raccourcissement, épaississement, chevauchements), quel relief en résulte et prendre l'exemple de l'Himalaya.

Définir un orogène et décrire les phases du cycle orogénique, depuis un bassin marin qui accumule des sédiments jusqu'à une chaîne de montagnes érodée, en l'appliquant au cas des Pyrénées.

La fosse des Mariannes atteint près de $11\ \text{km}$ de profondeur. Expliquer quel processus tectonique forme les fosses océaniques, ce qu'il advient de la lithosphère qui s'enfonce à cet endroit et pourquoi on trouve souvent à côté des arcs d'îles volcaniques.

Schématiser par des mots le profil d'une limite convergente océan-océan (fosse, arc volcanique insulaire, bassin d'arrière-arc) et expliquer l'origine de chacun de ces trois éléments et son lien avec la subduction.

Actuellement, la lithosphère océanique de l'Atlantique s'étend d'environ $2{,}5\ \text{cm/an}$ à partir de sa dorsale, tandis que ses marges continentales sont presque toutes passives. En revanche, la Méditerranée représente un bassin relique où les restes de la croûte océanique de la Téthys subductent activement sous le sud de l'Europe, à une vitesse de convergence d'environ $5\ \text{mm/an}$.

1. a) Prévoir en justifiant l'évolution géodynamique des marges atlantiques ibérique et nord-américaine : expliquer quel changement physique crucial subira la lithosphère océanique à mesure qu'elle s'éloigne de la dorsale et se refroidit, et déduire quelle nouvelle structure de limite de plaque se formera spontanément pour que l'océan Atlantique amorce sa fermeture dans le cadre du cycle de Wilson.
2. b) Concevoir un modèle tectonique pour la mer Méditerranée dans $40-50$ millions d'années : déduire quel relief remplacera le bassin marin actuel après la collision continentale définitive entre l'Afrique et l'Eurasie, quelles structures géologiques de déformation prédomineront dans la zone de suture et comment cette fermeture affectera les échanges thermohalins entre l'Atlantique et l'océan Indien.

Analyser les trois faits géophysiques suivants :

1. La distance entre la crête de la dorsale du Pacifique oriental et la fosse de subduction du Japon est d'environ $10\,000\ \text{km}$, et la plaque pacifique se déplace vers l'ouest à une vitesse moyenne constante de $8\ \text{cm/an}$.

2. Aucun forage océanique profond du programme IODP n'a jamais trouvé de croûte océanique basaltique en place d'un âge supérieur à environ $180-200\ \text{Ma}$.

3. Dans les cratons continentaux (comme le bouclier du Groenland ou le bouclier canadien) affleurent des roches de plus de $3\,800\ \text{Ma}$.

1. a) Calculer le temps (en millions d'années) que met une portion de lithosphère basaltique pour aller de sa formation à la dorsale du Pacifique jusqu'à sa subduction dans la fosse. Évaluer si le résultat obtenu est cohérent avec l'âge maximal observé dans les fonds marins du monde.
2. b) Justifier, à partir des propriétés physiques et pétrologiques de la lithosphère océanique par rapport à la lithosphère continentale (densité moyenne, épaisseur de la croûte, température et comportement isostatique pendant le refroidissement), pourquoi la lithosphère océanique est éphémère et est continuellement recyclée dans le manteau, alors que la lithosphère continentale ne peut pas subducter massivement et subsiste pendant des milliards d'années.

Le 26 décembre 2004, un séisme de $M_w = 9{,}1$ au large de la côte occidentale de Sumatra a généré un tsunami aux proportions catastrophiques. En revanche, les grands séismes de magnitude $M_w > 7{,}5$ associés à des failles transformantes (comme celle de San Andreas ou la faille transformante Açores-Gibraltar) n'engendrent pratiquement jamais de tsunamis destructeurs en champ lointain.

1. a) À l'aide de la théorie du rebond élastique, expliquer pas à pas la déformation mécanique que subissent le prisme d'accrétion et la plaque supérieure dans une zone de subduction avant et pendant la rupture sismique, et justifier pourquoi ce déplacement cosismique génère une onde marine catastrophique alors qu'une faille transformante pure à déplacement horizontal n'en génère pas.
2. b) Un tsunami en eau profonde se comporte comme une onde de faible profondeur dont la vitesse est approchée par $v = \sqrt{g \cdot h}$ ($g = 9{,}8\ \text{m/s}^2$ ; $h$ = profondeur de la mer). Si la profondeur moyenne dans l'océan Indien est de $4\,000\ \text{m}$, calculer la vitesse de propagation du tsunami en haute mer (en $\text{km/h}$). Prévoir ensuite ce qui se passera pour la vitesse, la longueur d'onde et l'amplitude de la vague lorsqu'elle atteindra une baie côtière de seulement $10\ \text{m}$ de profondeur, en justifiant le principe physique de conservation du flux d'énergie en jeu.
3. c) Concevoir et justifier la structure d'un système d'alerte précoce aux tsunamis : expliquer pourquoi il ne suffit pas de détecter l'onde sismique avec des sismographes terrestres et pourquoi il est indispensable d'ajouter des capteurs de pression au fond de l'océan reliés à des bouées de surface (réseaux de type DART).

La dorsale médio-atlantique est généralement immergée à environ $2\,500\ \text{m}$ de profondeur, mais en Islande elle s'élève en formant une vaste île émergée dont la croûte atteint entre $30$ et $40\ \text{km}$ d'épaisseur (environ quatre fois l'épaisseur de la croûte océanique normale).

1. a) Justifier sur le plan géodynamique cette anomalie orographique et crustale en expliquant l'interaction entre deux mécanismes endogènes indépendants : une limite de plaques divergente et un panache mantellique profond (point chaud). Quel processus physico-chimique dans le manteau supérieur génère un volume aussi extraordinaire de magma basaltique sous l'Islande ?
2. b) Dans la vallée de Thingvellir, on observe un fossé tectonique ou graben traversé par de grandes fissures ouvertes (comme Almannagjá). Déduire le régime de contraintes qui agit dans la zone, le type cinématique des failles qui délimitent la vallée et prévoir ce qu'il adviendra de la largeur de l'Islande si le taux d'écartement de $2\ \text{cm/an}$ se maintient pendant les $5$ prochains millions d'années.
3. c) L'Islande présente des gradients géothermiques locaux pouvant atteindre $150-200\ ^\circ\text{C/km}$ (contre $30\ ^\circ\text{C/km}$ pour la croûte continentale moyenne). Évaluer les risques géologiques (sismicité induite, émissions de gaz magmatiques, déformation volcanique) à prendre en compte lors du forage de puits géothermiques à haute enthalpie à proximité de chambres magmatiques actives.

La mer Rouge et le golfe de Californie sont deux exemples classiques de bassins océaniques à un stade juvénile. Dans l'axe central de la mer Rouge, on détecte déjà des anomalies magnétiques symétriques sur un fond basaltique, des saumures hydrothermales métallifères à plus de $60\ ^\circ\text{C}$ et un taux de divergence de $1{,}5\ \text{cm/an}$. Parallèlement, la péninsule de Basse-Californie s'écarte du continent américain à une vitesse de $4{,}5\ \text{cm/an}$, en combinant extension et décrochement latéral.

1. a) Analyser l'évolution rhéologique, isostatique et structurale de la lithosphère lors de la transition d'un rift intracontinental (stade de type rift est-africain) à un océan juvénile (stade mer Rouge). Expliquer à quel moment précis se produit la rupture lithosphérique complète (« continental breakup ») et comment changent le type de volcanisme et la sédimentation associés.
2. b) Un géologue affirme que les saumures chaudes et les anomalies magnétiques linéaires et symétriques de la mer Rouge démontrent qu'une dorsale océanique en miniature y fonctionne déjà. Justifier la validité scientifique de ces deux indices.
3. c) Prévoir en justifiant la configuration paléogéographique de la région de Basse-Californie dans $30$ millions d'années si le déplacement actuel se poursuit : déduire la position relative de la péninsule, la nature de la croûte marine qui la séparera de l'Amérique du Nord et le devenir structural de la faille de San Andreas.

Bien que la collision orogénique principale entre l'Ibérie et l'Eurasie se soit achevée il y a plus de $20\ \text{Ma}$ et que les mesures GNSS/GPS actuelles enregistrent un taux de raccourcissement tectonique horizontal quasi imperceptible ($< 0{,}3\ \text{mm/an}$), les profils de nivellement géodésique révèlent que la zone axiale des Pyrénées continue de s'élever verticalement à un rythme net de $0{,}5$ à $1{,}2\ \text{mm/an}$.

1. a) Résoudre ce paradoxe apparent : si la convergence tectonique active n'est pas la cause motrice principale du soulèvement actuel, justifier quel mécanisme physique endogène — fondé sur le modèle d'isostasie d'Airy et la présence d'une profonde racine crustale — entraîne l'élévation de la chaîne à mesure que les agents externes l'érodent.
2. b) Dans une vallée pyrénéenne, on identifie une séquence étagée de quatre terrasses fluviales encaissées dans le substrat rocheux. La terrasse supérieure (T1) se situe à $+120\ \text{m}$ au-dessus du lit fluvial actuel et son sédiment alluvial a été daté de $150\,000$ ans. Calculer le taux moyen d'encaissement fluvial (en $\text{mm/an}$) et interpréter ce que cette donnée révèle sur l'équilibre entre l'incision fluviale et le soulèvement de la chaîne au cours du Quaternaire.
3. c) Réfuter l'affirmation suivante : « Comme l'érosion démantèle des milliers de tonnes de roche par an, les Pyrénées seront réduites à une pénéplaine au niveau de la mer en quelques millions d'années ». Expliquer le rôle de la compensation isostatique retardée dans la longévité du relief montagneux.